范紅梅,汪建明*,劉力
1(天津科技大學(xué) 食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津,300457) 2(北京彬原原商貿(mào)有限公司,北京,101111)
酵母β-葡聚糖是從啤酒酵母的細(xì)胞壁中提取的聚合物,具有增強(qiáng)哺乳動(dòng)物免疫活力,抗感染,促進(jìn)傷口愈合的功能,是一種生物效應(yīng)應(yīng)答劑[1-4]。但是酵母β-葡聚糖特殊的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其溶解性差,降低了其在食品中的應(yīng)用。為解決這一問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)酵母β-葡聚糖進(jìn)行了化學(xué)改性、物理改性和生物改性的研究[5-7]。生物改性方法主要是通過(guò)酶解作用降低酵母β-葡聚糖的分子量,從而提高溶解度。KERY[8]等人曾對(duì)酵母β-葡聚糖進(jìn)行水解,但得率較低。酵母β-葡聚糖酶作用于酵母β-葡聚糖的糖苷鍵,使其糖苷鍵斷裂,降低酵母β-葡聚糖分子的聚合度,分子量減小,提高了酵母β-葡聚糖的溶解度。酵母β-葡聚糖酶包含的特異性內(nèi)切酶和外切酶分別作用于酵母β-葡聚糖分子的不同位點(diǎn),將其降解為還原糖或寡糖[9]。酶解的效果受多種因素的影響,為了使酵母β-葡聚糖酶發(fā)揮最大活性,本試驗(yàn)利用β-葡聚糖酶對(duì)酵母β-葡聚糖進(jìn)行水解,考察了底物濃度、酶活濃度、反應(yīng)溫度和溶液pH對(duì)酶解反應(yīng)的影響,并對(duì)比了酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的差異,為拓寬酵母β-葡聚糖的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。
酵母β-葡聚糖:唐山拓普生物科技有限公司;β-葡聚糖酶,酶活濃度為6 200 U/mL:丹尼斯克(中國(guó))有限公司;標(biāo)準(zhǔn)酵母葡聚糖:Sigma公司;檸檬酸、磷酸氫二鈉、苯酚等均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>
離心機(jī),湘儀離心機(jī)儀器有限公司;RE-52AA循環(huán)水式旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器廠;Lab-1B-50E真空冷凍干燥機(jī),北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;HH-S4恒溫水浴鍋,鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;GZX-9240MBE鼓風(fēng)干燥箱,上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;IS50傅里葉紅外光譜儀,美國(guó)尼高利;Q50熱重分析儀,美國(guó)TA公司。
1.3.1酵母β-葡聚糖的酶解工藝
稱取酵母β-葡聚糖,分散在9 mL的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中,水浴鍋預(yù)熱10 min后加入β-葡聚糖酶。初始條件為底物質(zhì)量濃度1 g/dL、酶活濃度0.15 U/mL、溫度45 ℃、pH4.0。反應(yīng)1.5 h后沸水浴5 min滅酶活,3 500r/min 離心20 min,取上清液,得樣品,測(cè)可溶性總糖和還原糖。
1.3.2單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)
其他條件不變,考察底物質(zhì)量濃度:0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 g/dL;酶活濃度:0.05、0.10、0.15、0.20、0.30和0.40 U/mL;溫度:35、40、45、50、55和60 ℃;pH:3.0、3.5、4.0、4.5和5.0對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響。
依據(jù)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken的響應(yīng)面設(shè)計(jì),確定水溶性酵母β-葡聚糖得率最大的條件,并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)表如表1。
表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Independent variable values
1.3.3酶解液中可溶性總糖含量的測(cè)定
按照苯酚-硫酸法[11]測(cè)定總糖的含量。
1.3.4酶解液中還原糖含量的測(cè)定
按照DNS法[10]測(cè)定還原糖的含量。
1.3.5水溶性酵母β-葡聚糖得率的計(jì)算[12]
反應(yīng)結(jié)束,酶解液經(jīng)3 500 r/min離心20 min,取1 mL上清液測(cè)其總糖和還原糖,計(jì)算水溶性酵母β-葡聚糖得率(公式(1)):
(1)
式中:m總為酶解液中總糖含量,g;m還為酶解液中還原糖含量,g;m0為添加酵母β-葡聚糖的質(zhì)量,g。
1.3.6酵母β-葡聚糖與水溶性酵母β-葡聚糖性質(zhì)分析
1.3.6.1熱重分析
將酵母β-葡聚糖和酶解后的水溶性酵母β-葡聚糖樣品置于熱重分析儀上,從室溫升至800 ℃,升溫速率為10 ℃/min,樣品質(zhì)量為3~4 mg,鉑坩堝,載氣為高純度氮?dú)?,氣流?0 mL/min。
1.3.6.2紅外光譜分析
將酵母β-葡聚糖和酶解后水溶性酵母β-葡聚糖分別與KBr按質(zhì)量比1∶150混合壓片,進(jìn)行紅外掃描,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為16次,掃描區(qū)間4 000~400 cm-1。
2.1.1底物質(zhì)量濃度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響
固定酶濃度為0.15 U/mL,溫度為45 ℃,溶液pH為4.0,分別在0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 g/dL的梯度下,測(cè)得水溶性酵母β-葡聚糖得率(圖1)。由于β-葡聚糖酶的作用,酵母β-葡聚糖糖鏈發(fā)生斷裂,使不溶性的酵母β-葡聚糖水解為可溶性多糖。底物質(zhì)量濃度為1.0 g/dL時(shí),水溶性酵母β-葡聚糖得率最大,當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度大于1.0 g/dL時(shí),得率降低,這是由于β-葡聚糖具有強(qiáng)吸水性和持水性,隨著反應(yīng)體系中底物濃度的增大,溶液黏度也不斷增大,阻礙酶與底物接觸。因此,底物質(zhì)量濃度選擇1.0 g/dL為宜。
圖1 底物質(zhì)量濃度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響Fig.1 Effects of substrate concentration on water-solubleyeast β-glucan yield
對(duì)每一個(gè)質(zhì)量濃度梯度的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表2。圖1標(biāo)注的顯著性差異由Duncan法分析得到。由表2及圖1可知,底物質(zhì)量濃度為0.5 g/dL和2.0 g/dL的兩個(gè)處理間無(wú)顯著性差異,其他處理間存在顯著性差異。
表2 底物質(zhì)量濃度的方差分析Table 2 The analysis of variance table of substrateconcentration
2.1.2酶濃度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響
固定底物質(zhì)量濃度為1.0 g/dL,溫度為45 ℃,溶液pH為4.0,分別在酶濃度0.05、0.10、0.15、0.20、0.30和0.40 U/mL的梯度下,測(cè)得水溶性酵母β-葡聚糖得率見(jiàn)圖2。由圖2可知,水溶性酵母β-葡聚糖得率隨著酶濃度的增大先增大后減小,在酶濃度為0.15 U/mL時(shí)可得率最大。隨著酶濃度的繼續(xù)增大,酶作用于已水解的葡聚糖,從而產(chǎn)生了大量的二糖、單糖等,導(dǎo)致水溶性酵母β-葡聚糖得率降低。因此,酶濃度選擇0.15 U/mL為宜。
圖2 酶濃度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響Fig.2 Effects of enzyme concentration on water-solubleyeast β-glucan yield
對(duì)每一個(gè)濃度梯度的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3,圖2標(biāo)注的顯著性差異由Duncan法分析得到。由表3及圖2可知,酶濃度為0.05 U/mL和酶濃度為0.4 U/mL的兩個(gè)處理間無(wú)顯著性差異,酶濃度為0.05 U/mL和酶濃度為0.4 U/mL的兩個(gè)處理間無(wú)顯著性差異,酶濃度為0.1 U/mL和酶濃度為0.2 U/mL的兩個(gè)處理間無(wú)顯著性差異,其他處理間存在顯著性差異。
表3 酶濃度的方差分析Table 3 The analysis of variance table of enzymeconcentration
2.1.3溫度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響
固定底物質(zhì)量濃度1.0 g/dL,酶活濃度0.15 U/mL,溶液pH為4.0,分別在溫度35、40、45、50、55和60 ℃的梯度下,測(cè)得水溶性酵母β-葡聚糖得率見(jiàn)圖3。由圖3可知,在45 ℃時(shí)水溶性酵母β-葡聚糖得率最大。隨著溫度升高,酶的活性降低,水溶性酵母β-葡聚糖的得率降低。
圖3 溫度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響Fig.3 Effects of temperature on water-soluble yeastβ-glucan yield
對(duì)每一個(gè)溫度梯度的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表4,圖3標(biāo)注的顯著性差異由Duncan法分析得到。由表4及圖3可知,溫度為50 ℃的處理與溫度為35 ℃和40 ℃的處理均無(wú)顯著性差異,其他處理間存在顯著性差異。
表4 溫度的方差分析Table 4 The analysis of variance table of temperature
2.1.4pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響
固定底物質(zhì)量濃度為1.0 g/dL,酶活濃度0.15 U/mL,溫度為45 ℃,分別在溶液pH為3.0、3.5、4.0、4.5和5.0的梯度下,測(cè)得水溶性酵母β-葡聚糖得率見(jiàn)圖4。由圖4可知,pH為4.0時(shí)水溶性酵母β-葡聚糖得率最大,當(dāng)pH大于或小于4.0時(shí)影響酶促反應(yīng)速率,水溶性酵母β-葡聚糖得率下降。
圖4 pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響Fig.4 Effects of pH on water-soluble yeast β-glucan yield
對(duì)每一個(gè)pH梯度的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表5,圖4標(biāo)注的顯著性差異由Duncan法分析得到。由表5及圖4可知,pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率影響的處理間均存在顯著性差異。
表5 pH的方差分析Table 5 The analysis of variance table of pH
2.2.1響應(yīng)面模型分析
為了優(yōu)化酶解反應(yīng)工藝,在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取底物質(zhì)量濃度、酶活濃度、溫度和pH的最佳試驗(yàn)范圍。依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理,以水溶性酵母β-葡聚糖得率為響應(yīng)值,利用Design-Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)了4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),共有29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見(jiàn)表6,方差分析見(jiàn)表7。
表6 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果Table 6 Design and experimental results of RSM
利用軟件進(jìn)行方差分析,可得到模型的二次多項(xiàng)回歸方程:
Y=39.90+0.96A+0.63B-0.90C+1.43D+1.95AB+0.68AC+0.88AD+0.50BC-0.57BD-2.5×10-3CD-2.85A2-2.44B2-2.24C2-1.98D2
式中:Y為水溶性酵母β-葡聚糖得率,%;A為底物濃度,g/dL;B為酶活濃度,U/mL;C為溫度,℃;D為pH。
該回歸模型的方差分析結(jié)果見(jiàn)表7,模型相關(guān)系數(shù)R2=0.919 8,響應(yīng)面回歸模型F值為11.46,顯著性檢驗(yàn)p<0.000 1,表明模型極顯著;失擬項(xiàng)p為0.196 4>0.05,不顯著,表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)學(xué)模型擬合良好,因此可用該數(shù)學(xué)模型推測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。變異系數(shù)CV值為2.86%,變異系數(shù)較低,說(shuō)明模型置信度高,響應(yīng)值水溶性酵母β-葡聚糖得率的變化有97.14%來(lái)源于變量(底物質(zhì)量濃度、酶活濃度、溫度和pH),因此能夠較好地反映真實(shí)實(shí)驗(yàn)值。各變量因素對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率影響程度的大小順序依次為pH>底物質(zhì)量濃度>溫度>酶活濃度。
表7 回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of regression model
注:**表示p<0.01,差異極顯著;*表示p<0.05,差異顯著。
2.2.2因素交互作用分析
通過(guò)Design-Expert 8.0軟件對(duì)影響水溶性酵母β-葡聚糖得率的各因素之間的交互作用進(jìn)行分析,繪制響應(yīng)面曲線圖,見(jiàn)圖5~10。通過(guò)圖可清晰地反映出響應(yīng)曲面的最高點(diǎn)以及各因素范圍間的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。據(jù)此確定酵母β-葡聚糖的最佳酶解工藝條件。
由曲面彎曲的程度可知,底物濃度對(duì)可溶性多糖得率的影響最為顯著,其次是酶活濃度、溫度和pH。此外,酶活濃度和底物質(zhì)量濃度,pH和溫度,pH和酶活濃度以及pH和底物濃度的相互作用較為顯著,等高線為橢圓形。
圖5 底物質(zhì)量濃度和酶活濃度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.5 Substrate concentration and enzyme activityconcentration on the yield of water-soluble yeast β-glucan
圖6 底物質(zhì)量濃度和溫度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.6 Substrate concentration and temperature onthe yield of water-soluble yeast β-glucan
圖7 底物質(zhì)量濃度和pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.7 Substrate concentration and pH on the yield ofwater-soluble yeast β-glucan
圖8 酶活濃度和溫度對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.8 Enzyme activity concentration and temperatureon the yield of water-soluble yeast β-glucan
圖9 酶活濃度和pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.9 Enzyme activity concentration and pH on theyield of water-soluble yeast β-glucan
圖10 溫度和pH對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的交互影響Fig.10 Temperature and pH on the yield of water-solubleyeast β-glucan
2.2.3最佳優(yōu)化條件及驗(yàn)證試驗(yàn)
通過(guò)RSREG Procedure分析,可以產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)值,即底物濃度為1.18 g/100 mL,酶活濃度為0.16 U/mL,溫度為43.43 ℃,pH值4.19。在此條件下水溶性酵母β-葡聚糖得率為40.5939%。
為了再次驗(yàn)證響應(yīng)面分析法的可靠性,選取條件底物質(zhì)量濃度為1.14 g/dL,酶活濃度為0.16 U/mL,溫度為44 ℃,pH為4.20,實(shí)際測(cè)得水溶性酵母β-葡聚糖得率39.89%,比回歸模型預(yù)測(cè)理論值低0.55%(小于5%)。因此響應(yīng)面分析優(yōu)化得到的酶解工藝條件準(zhǔn)確可靠。段會(huì)軻等人研究了利用木霉菌株產(chǎn)的β-1,3-葡聚糖酶對(duì)酵母葡聚糖進(jìn)行酶解,其可溶性多糖得率為52%,與本研究結(jié)果接近。本研究所用原料為商品用酵母β-葡聚糖,多糖含量為80%,所用酶亦不相同,因而與前人的研究結(jié)果略有差異。
在底物質(zhì)量濃度為1.14 g/100 mL,酶活濃度為0.16 U/mL,溫度為44 ℃,pH為4.2的條件下,研究酶解時(shí)間對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響,結(jié)果如圖11所示。水溶性酵母β-葡聚糖得率隨著酶解時(shí)間的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)出先迅速升高后下降的趨勢(shì),酶解時(shí)間1.5 h時(shí),水溶性酵母β-葡聚糖得率最大,延長(zhǎng)時(shí)間,水溶性酵母β-葡聚糖得率下降。隨著酶解時(shí)間的增長(zhǎng),葡聚糖酶不僅作用于不溶性酵母β-葡聚糖,也同時(shí)作用于已溶的多糖,導(dǎo)致水溶性酵母β-葡聚糖得率下降。由此確定酶解時(shí)間為1.5 h。
圖11 酶解時(shí)間對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率的影響Fig.11 Effects of times on water-soluble yeast β-glucan yield
對(duì)每一個(gè)濃度梯度的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表8,圖11標(biāo)注的顯著性差異由Duncan法分析得到。由表8及圖11可知,酶解時(shí)間對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率影響的處理間均存在顯著性差異。
表8 酶解時(shí)間的方差分析Table 8 The analysis of variance table of time
2.4.1熱重分析
為了研究酵母β-葡聚糖與水溶性酵母β-葡聚糖的熱穩(wěn)定性與熱分解作用,進(jìn)行了熱重分析(TGA分析)。熱重分析法是測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系。在加熱過(guò)程中得到的樣品累積量的積分型曲線即是TG曲線,它是由TGA分析得到的。樣品質(zhì)量的變化率由DTG曲線表示。
圖12 酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的熱重分析圖譜Fig.12 TGA curves of yeast β-glucan and water-solubleyeast β-glucan
圖13 酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的微分熱重分析圖譜Fig.13 DTG curves of yeast β-glucan and water-solubleyeast β-glucan
圖12和圖13分別顯示的是酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的熱重分析圖譜和微分熱重分析圖譜。酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖均有兩個(gè)失重峰。酵母β-葡聚糖的第一個(gè)失重峰是由于水分損失所致的重量損失,出現(xiàn)在50 ℃左右,失重率5.58%。第二個(gè)失重峰出現(xiàn)在316~388 ℃,最高峰出現(xiàn)在360 ℃左右,此溫度稱為酵母β-葡聚糖的特征分解溫度,這表示樣品內(nèi)的揮發(fā)組分析出并且燃燒,樣品質(zhì)量損失率為94%。這說(shuō)明酵母β-葡聚糖在該溫度范圍內(nèi)發(fā)生了劇烈的分解反應(yīng)。
同酵母β-葡聚糖相比,水溶性酵母β-葡聚糖的TG曲線同樣在50 ℃左右出現(xiàn)失重峰,失重率為6.47%。水溶性酵母β-葡聚糖的第二個(gè)失重峰出現(xiàn)在306~399 ℃,特征分解溫度為356 ℃左右,樣品質(zhì)量損失率為88%。酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的特征分解溫度分別為360 ℃和356 ℃,終止分解溫度分別為780 ℃和740 ℃。熱重分析結(jié)果表明兩者的熱穩(wěn)定性差異不大,酶解對(duì)酵母β-葡聚糖的熱穩(wěn)定性基本無(wú)影響。
2.4.2紅外光譜分析
為了研究酵母β-葡聚糖與水溶性酵母β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)差異,進(jìn)行了紅外光譜分析。紅外光譜可以分析多糖的糖苷鍵構(gòu)型,確定多糖的結(jié)構(gòu)與種類。酵母β-葡聚糖與水溶性酵母β-葡聚糖的紅外吸收?qǐng)D譜如圖14所示。
圖14 酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的紅外光譜圖Fig.14 IR Spectrum of the sample of yeast β-glucanand water-soluble yeast β-glucan
由圖14可以看出,酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的紅外光譜圖基本一致,圖譜顯示在890 cm-1處有特征峰,表明了其糖苷鍵為β構(gòu)型;2 920 cm-1的特征峰說(shuō)明樣品具β-1,3鍵;1 460~1 042 cm-1附近為多糖的吸收帶;在3 431 cm-1處有吸收峰可以認(rèn)為是O—H的伸縮振動(dòng)峰;810 cm-1附近沒(méi)有吸收峰證明酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的單糖組成成分無(wú)甘露糖。綜上,酵母β-葡聚糖和可溶性酵母β-葡聚糖的分子構(gòu)象相同。
通過(guò)單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)確定酵母β-葡聚糖的酶解條件:底物質(zhì)量濃度為1.14 g/100 mL,酶活濃度為0.16 U/mL,溫度為44 ℃,pH為4.2,在此條件下水溶性酵母β-葡聚糖得率為39.89%,比回歸模型預(yù)測(cè)理論值低0.55%(小于5%),表明該工藝條件準(zhǔn)確可靠。此外,各變量因素對(duì)水溶性酵母β-葡聚糖得率影響程度的大小順序依次為pH>底物質(zhì)量濃度>溫度>酶活濃度。
通過(guò)熱重分析表明,酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的特征分解溫度分別為360 ℃和356 ℃,終止分解溫度分別為780 ℃和740 ℃。酵母β-葡聚糖和水溶性酵母β-葡聚糖的熱穩(wěn)定性差異不大,酶解對(duì)酵母β-葡聚糖的熱穩(wěn)定性基本無(wú)影響。通過(guò)紅外光譜分析表明,酵母β-葡聚糖與水溶性酵母β-葡聚糖具有相似是紅外光譜,其糖苷鍵型為β構(gòu)型,且具有β-1,3鍵,分子構(gòu)象相同。
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